Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

1.

Электронный парамагнитный резонанс
(ЭПР)

2.

h
Ps
2
e
S ( S 1) , s Ps
m
Для свободного электрона (S = ½) отношение
магнитного
момента
к
механическому
называется гиромагнитным отношением ( ),
которое для спинового движения составляет
e
s / Ps
m
Для гиромагнитного отношения электронной
оболочки,
имеющей
различный
вклад
орбитального и спинового движения, вводят
коэффициент пропорциональности g:
g
Рис.1 Прецессия магнитного
момента в а) слабом поле,
б) сильном внешнем поле
e
2m
Данный коэффициент называется g-фактором.
Для свободного электрона g=2. При наличии
одновременно спинового и орбитального
магнетизма выражение для g-фактора дается
формулой Ланде:
g 1
J ( J 1) S ( S 1) L( L 1)
2 J ( J 1)

3.

4. Принцип метода ЭПР

Явление ЭПР было открыто Е.К. Завойским в 1944 г.
Принцип метода ЭПР
Парамагнитным
резонансом
называется
явление
резонансного
поглощения энергии переменного электро-магнитного поля системой,
включающей в себя частицы (атомы, молекулы, ионы), обладающие
магнитным моментом.
1/2 gbH
E
DE = gbH
-1/2 gbH
Состояние резонанса - при DE = E ,
hn = gbH
H
Это поглощение индуцирует переходы между энергетическими уровнями,
обусловленными различными ориентациями моментов частиц в пространстве.
Если поглощение индуцирует переходы между уровнями, обусловленными
различной пространственной ориентацией магнитного момента электрона, говорят
об электронном парамагнитном резонансе (ЭПР). Когда наблюдаются переходы
между энергетическими уровнями, связанными с наличием магнитного момента у
атомных ядер, резонансное поглощение называется ядерным магнитным
резонансом (ЯМР).

5.

Электрон, находящийся на верхнем уровне, теряет свою избыточную энергию
посредством самопроизвольного и индуцированного испускания, а так же посредством
различных релаксационных механизмов:
Спин-решеточная релаксация — это процесс, в результате которого избыток энергии
спинов передается другим степеням свободы молекул жидкости или твердого тела
(«решетке»). Основным механизмом передачи энергии спинов является спинорбитальная связь, благодаря которой по цепочке спиновый магнитный момент —
орбитальный магнитный момент — орбита — заряженное ядро осуществляется
взаимодействие спина с решеткой. Этот процесс описывается экспоненциальной
зависимостью и характеризуется временем спин-решеточной релаксации T1, за которое
разность инверсной заселенности уровней уменьшается в е раз.
С ростом температуры спин-решеточное взаимодействие увеличивается, а T1 падает.
Спин-спиновая релаксация — это процесс, при котором энергия выделяющаяся при
переходе спина с верхнего уровня на нижний, безизлучательно передается другому
спину, находящемуся на нижнем уровне. Спин, получающий энергию, переходит на
верхний уровень. Вследствие этого процесса происходит перераспределение энергии
по всей спиновой системе. В основе спин-спинового взаимодействия лежит тот факт,
что в любой реальной системе парамагнитная частица находится не только во
внешнем магнитном поле, но подвергается воздействию локальных магнитных полей,
создаваемых соседними
парамагнитными центрами. Спин-спиновая релаксация
характеризуется временем спин-спиновой релаксации T2 — среднее время жизни
спина на верхнем уровне, обусловленное спин-спиновой релаксацией. Спин-спиновое
взаимодействие практически не зависит от температуры, однако очень быстро
уменьшается с увеличением среднего расстояния между спинами. Таким образом, на
величину этого взаимодействия изменяя концентрацию парамагнитных центров.

6. Что такое спектр ЭПР?

n
поглощение
2
Используя
микроволновое
излучение
постоянной
частоты,
изменяя
при
этом
магнитное
поле
посредством
модуляции
электрического тока в электромагнитной катушке.
При этом регистрируется не поглощение, а первая
производная поглощения по полю.
H = const
hn = gbH
n = const
hn = gbH
H
hn = gbH
dA/dH
1 – В постоянном магнитном поле изменяя
частоту
перпендикулярно
направленного
переменного поля. Максимальное поглощение
будет наблюдаться при резонансе.
поглощение
Поглощение электромагнитных волн методом ЭПР можно наблюдать двумя
способами:
H

7. ШИРИНА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ

8. 1,1,4,4 - тетраметилпиперидиноксил

Рис.4. Химическое строение спиновой метки: А и Б – две валентные
структуры нитроксильного радикала.

9.

Рис.5 Схема энергетических
уровней,
иллюстрирующая
возникновение
сверхтонкой
структуры
спектра
ЭПР
парамагнитной мoлекулы NO*
Спектр ЭПР – суперпозиция
спректров
парамагнитных
молекул
с
различной
пространственной ориентацией
р-орбитали.

10.

ФОРМА СПЕКТРА ЭПР

11.

Рис.6.
СТС, возникающая при взаимодействии неспаренного
электрона с тремя эквивалентными протонами

12. Как определить величину магнитного момента ядра?

Порядковый
номер (Число
протонов)
Массовое число
(Число протонов
+ число
нейтронов
Число нейтронов
(массовое число
– число
протонов)
Магнитны
й момент
четный
четное
четное
I=0
Пример
12
6C
16
8O
четный
нечетное
нечетное
I = 1/2
13
6С
нечетный
нечетное
четное
I = 1/2
нечетный
четное
нечетное
I=1
1 H
1
15 N
7
14 N
7
2 D
1

13.

14.

Нарушения нормальных процессов жизнедеятельности приводят к
увеличению концентрации «комплексов 2,03».
Впоследствии было доказано, что NO-радикалы играют ключевую
роль в регуляции многих биологических процессов.
Рис.8. Спектр ЭПР нитроксильного комплекса в печени кролика.

15.

Рис.9. Спектр ЭПР эмали зубов (а) и
зависимость интенсивности радиационно индуцированного сигнала 2 от дозы
дополнительно ионизирующего облучения
(б). Значение D0, полученное путем
линейной экстрополяции
зависимости
сигнала 2 от от дозы дополнительного
облучения образца, соответствует дозе,
полученной организмом

16.

Рис.10 Типичный спектр ЭПР для раствора альбумина.
IA
b
IB
Основным параметром является коэффициент
β, который характеризует
сорбционные свойства нитроксильных радикалов в липидной фазе альбумина.
Он рассчитывается как отношение амплитуды левой линии спектра ЭПР,
характеризующую связывание радикала с белком (величина IА), к амплитуде
узкой правой линии (величина IВ), которая показывает концентрацию
несвязанного зонда в растворе.
При онкопроцессах происходит свободнорадикальное окисление липидов и
парамагнитный зонд выталкивается на поверхность. При этом величина сигнала
IВ заметно возрастает, а коэффициент β - уменьшается. Можно сказать, что
липидный иминоксильный радикал работает как «молекулярный ареометр»,
количественно определяющий степень окисления липидов.
В случае онкозаболеваний, когда образуются белковые кластеры, подвижность
белка альбумина уменьшается, а линия ЭПР уширяется. Это второй важный
параметр, который мы используем для диагностики рака.

17. Метод ЭПР

18. ЭПР-спектр альбумина

Рис.12. ЭПР-спектр белка: (а) в водном
растворе; (б) в глицерине, при изменении
постоянног
поля
спектрометра,
выраженного в Гс.

19.

Рис.13. Время вращательной
корреляции
альбумина
в
PH=6.5 зависимости
от
его
концентрации для различных
РН.
PH=5
PH=4
g el
g0 (1 c ) el0 (1 b c )
6 kT
4
2 2
0,16 p
1, 04 p q
b
2
2
2 6
2 4
12 ( kT ) r
6 ( kT ) r

20.

4
4
2
0.16 p
1.04 p q
Dвр D {1 c[
2
]}
2
2 6
2 4
12 (kT ) r
6 (kT ) r
0
вр
где
Dвр
kT
вр
kT
8 R 3
Применение первого соотношения для растворов белков показывает, что при
малых их концентрациях (менее 4%) в водных растворах Dвр действительно
возрастает, а время корреляции в р падает с увеличением концентрации
протеина.
Это явление было названо аномалией вращательной подвижности заряженных
макромолекул.

21.

ka 1/n exp( Ea / kT )
Рис.14

22. ЭПР томография

Для получения 2-х или 3-х мерной
картины
распределения
концентрации
парамагнитных
молекул, например О2 и ·N=O,
необходимо создание градиентов
магнитного поля в 2х или 3х
направлениях.
Обычные ЭПР спектрометры работают на высоких частотах в
области нескольких ГГц и выше, и используют СВЧ технику
(резонаторы, волноводы и специальные генераторы, такие как
клистроны и туннельные диоды). Для целей томографии
используют приборы, работающие в области нескольких десятков
МГц (для минимизации поглощения водой и водосодержащими
тканями). Поглощаемая мощность зависит от параметра,
известного как тангенс угла потерь
tg δ, соответствующая
зависимость представлена на рисунке 15.

23.

При работе с большими
объектами: малыми животными
или в перспективе с человеком,
главным параметром является
толщина скин-слоя d:
d c
2 0
m
503
m f
,
здесь μm - относительная магнитная проницаемость

24.

ЭПР изображение распределения по образцу
NO-радикала

25.

Медицинский ЭПР томограф
С
помощью
ЭПР
томографов
можно
исследовать
концентрацию
кислорода, как в сосудах, так
и в работающем сердце.
Согласно
теории
Смолуховского:
ω = 4pRp(DSL + DO2) [O2]
приводит к уширению
линии
Δω = k DO2 [O2]

26. Количественные различия между ЭПР и ЯМР

eh
b
4 m
hn gb H
N
N
e
2 H
kT
T1 2T2
T
2T1T2
be
1833
bN
mN
1833
me
ЯМР : n 8 *108 Гц
ЭПР :n 10 Гц
10
40 см
3 см
ЭПР :
N N
N N
10
3
ЯМР :
N N
N N
10 6
ЭПР :Т 10 8 10 5 с ЯМР :Т 10 1 10 с